Wissenswertes über Schrittmotoren

1. Was ist ein Schrittmotor?

Ein Schrittmotor ist ein Aktor, der elektrische Impulse in eine Winkelbewegung umwandelt. Vereinfacht gesagt: Wenn der Schrittmotortreiber ein Impulssignal empfängt, steuert er den Schrittmotor an, sich um einen festen Winkel (und Schrittwinkel) in die vorgegebene Richtung zu drehen. Die Anzahl der Impulse ermöglicht die Steuerung der Winkelbewegung und somit eine präzise Positionierung. Gleichzeitig lässt sich die Impulsfrequenz steuern, um die Drehzahl und Beschleunigung des Motors zu regeln und somit die Drehzahl zu steuern.

2. Welche Arten von Schrittmotoren gibt es?

Es gibt drei Arten von Schrittmotoren: Permanentmagnet- (PM), reaktive (VR) und Hybrid-Schrittmotoren (HB). Permanentmagnet-Schrittmotoren sind in der Regel zweiphasig, haben ein geringeres Drehmoment und eine kleinere Baugröße. Ihr Schrittwinkel beträgt üblicherweise 7,5° oder 15°. Reaktive Schrittmotoren sind in der Regel dreiphasig, liefern ein hohes Drehmoment und haben einen Schrittwinkel von üblicherweise 1,5°, sind aber lauter und vibrationsanfälliger. In Europa, den USA und anderen Industrieländern wurden sie in den 1980er-Jahren vom Markt genommen. Hybrid-Schrittmotoren vereinen die Vorteile von Permanentmagnet- und reaktiven Schrittmotoren. Sie werden in zwei- und fünfphasige Varianten unterteilt: Der Schrittwinkel beträgt bei zweiphasigen Motoren üblicherweise 1,8°, bei fünfphasigen 0,72°. Diese Art von Schrittmotor ist am weitesten verbreitet.

3. Wie hoch ist das Haltemoment (HALTEMORGEN)?

Das Haltemoment (Holding Torque) bezeichnet das Drehmoment, mit dem der Stator den Rotor blockiert, wenn der Schrittmotor bestromt, aber nicht rotiert. Es ist einer der wichtigsten Parameter eines Schrittmotors, und üblicherweise liegt das Drehmoment eines Schrittmotors bei niedrigen Drehzahlen nahe am Haltemoment. Da das Ausgangsdrehmoment eines Schrittmotors mit steigender Drehzahl kontinuierlich abnimmt und sich die Ausgangsleistung mit der Drehzahl ändert, ist das Haltemoment einer der wichtigsten Parameter zur Messung eines Schrittmotors. Beispielsweise bedeutet die Angabe „2 Nm Schrittmotor“ ohne weitere Spezifikationen, dass der Schrittmotor ein Haltemoment von 2 Nm aufweist.

4. Was ist das Rastdrehmoment?

Das Rastmoment ist das Drehmoment, mit dem der Stator den Rotor blockiert, wenn der Schrittmotor nicht bestromt ist. In China wird der Begriff Rastmoment nicht einheitlich übersetzt, was leicht zu Missverständnissen führen kann. Da der Rotor des reaktiven Schrittmotors nicht aus Permanentmagnetmaterial besteht, besitzt er kein Rastmoment.

 

5. Wie hoch ist die Präzision des Schrittmotors? Ist sie kumulativ?

Im Allgemeinen beträgt die Präzision eines Schrittmotors 3-5% des Schrittwinkels und ist nicht kumulativ.

6. Welche Temperatur darf an der Außenseite des Schrittmotors maximal auftreten?

Die hohe Temperatur des Schrittmotors führt zunächst zur Entmagnetisierung des magnetischen Materials, was einen Drehmomentabfall oder sogar Schrittversatz zur Folge haben kann. Daher sollte die maximal zulässige Außentemperatur des Motors vom Entmagnetisierungspunkt des magnetischen Materials des jeweiligen Motors abhängen. Im Allgemeinen liegt der Entmagnetisierungspunkt des magnetischen Materials über 130 Grad Celsius, bei einigen Motoren sogar über 200 Grad Celsius. Daher ist es völlig normal, dass die Außentemperatur des Schrittmotors im Bereich von 80-90 Grad Celsius liegt.

 

7. Warum nimmt das Drehmoment des Schrittmotors mit zunehmender Drehzahl ab?

Wenn sich der Schrittmotor dreht, erzeugt die Induktivität jeder Phase der Motorwicklung eine inverse elektromotorische Kraft; je höher die Frequenz, desto größer diese inverse EMK. Dadurch sinkt der Phasenstrom des Motors mit steigender Frequenz (bzw. Drehzahl), was zu einer Verringerung des Drehmoments führt.

 

8. Warum läuft der Schrittmotor bei niedrigen Drehzahlen normal, aber wenn er eine bestimmte Drehzahl überschreitet, startet er nicht und gibt dabei ein pfeifendes Geräusch von sich?

Schrittmotoren besitzen einen technischen Parameter: die Leerlaufanlauffrequenz. Das heißt, die Impulsfrequenz, mit der der Motor im Leerlauf normal anlaufen kann. Ist die Impulsfrequenz höher als dieser Wert, läuft der Motor nicht normal an und kann Schrittverluste oder Blockierungen erleiden. Unter Last sollte die Anlauffrequenz niedriger sein. Um eine hohe Drehzahl zu erreichen, muss die Impulsfrequenz erhöht werden, d. h. die Anlauffrequenz ist niedrig und wird dann mit einer bestimmten Beschleunigung auf die gewünschte hohe Frequenz erhöht (Motordrehzahl von niedrig auf hoch).

 

9. Wie lassen sich Vibrationen und Geräusche eines zweiphasigen Hybrid-Schrittmotors bei niedriger Drehzahl reduzieren?

Vibrationen und Geräusche sind systembedingte Nachteile von Schrittmotoren bei niedrigen Drehzahlen, die im Allgemeinen durch folgende Programme behoben werden können:

A. Falls der Schrittmotor im Resonanzbereich arbeitet, kann der Resonanzbereich durch Änderung der mechanischen Kraftübertragung, wie z. B. des Untersetzungsverhältnisses, vermieden werden.

B. Verwenden Sie den Treiber mit Unterteilungsfunktion, was die gebräuchlichste und einfachste Methode ist;

C. Ersetzen durch einen Schrittmotor mit kleinerem Schrittwinkel, z. B. einen Drehstrom- oder Fünfphasen-Schrittmotor;

D. Umstellung auf AC-Servomotoren, die Vibrationen und Geräusche nahezu vollständig eliminieren können, allerdings zu höheren Kosten;

E. Bei der Motorwelle mit magnetischem Dämpfer gibt es solche Produkte auf dem Markt, aber die mechanische Struktur ändert sich stärker.

 

10. Stellt die Unterteilung des Laufwerks Genauigkeit dar?

Die Interpolation von Schrittmotoren ist im Wesentlichen eine elektronische Dämpfungstechnologie (siehe einschlägige Literatur). Ihr Hauptzweck ist die Dämpfung oder Eliminierung der niederfrequenten Vibrationen des Schrittmotors. Die Verbesserung der Laufgenauigkeit ist dabei lediglich ein Nebeneffekt. Beispielsweise beträgt die Laufauflösung eines zweiphasigen Hybrid-Schrittmotors mit einem Schrittwinkel von 1,8° bei einer Interpolationszahl von 4 im Treiber 0,45° pro Impuls. Ob die Genauigkeit des Motors 0,45° erreicht oder sich annähert, hängt auch von anderen Faktoren ab, wie beispielsweise der Präzision der Interpolationsstromregelung des Treibers. Die Präzision der Unterteilungstreiber kann je nach Hersteller stark variieren; je größer die Unterteilungspunkte, desto schwieriger die Kontrolle der Präzision.

 

11. Worin besteht der Unterschied zwischen der Reihenschaltung und der Parallelschaltung eines vierphasigen Hybrid-Schrittmotors und seines Treibers?

Vierphasige Hybrid-Schrittmotoren werden üblicherweise mit einem Zweiphasen-Treiber angesteuert. Daher kann die Ansteuerung des Vierphasenmotors für den Zweiphasenbetrieb in Reihen- oder Parallelschaltung erfolgen. Die Reihenschaltung wird in der Regel bei hohen Motordrehzahlen eingesetzt. Der benötigte Ausgangsstrom des Treibers beträgt hierbei das 0,7-Fache des Motorphasenstroms, wodurch die Motorerwärmung gering ist. Die Parallelschaltung hingegen wird bei hohen Motordrehzahlen (auch Hochgeschwindigkeitsschaltung genannt) verwendet. Hierbei benötigt der Treiber das 1,4-Fache des Motorphasenstroms, was zu einer höheren Motorerwärmung führt.

12. Wie bestimmt man die Gleichstromversorgung für den Schrittmotortreiber?

A. Bestimmung der Spannung

Die Versorgungsspannung von Hybrid-Schrittmotortreibern liegt üblicherweise in einem weiten Bereich (z. B. 12–48 V DC beim IM483). Die Wahl der Versorgungsspannung richtet sich nach der Drehzahl und den Ansprechanforderungen des Motors. Bei hohen Drehzahlen oder schnellen Ansprechzeiten ist eine höhere Spannung erforderlich. Es ist jedoch darauf zu achten, dass die Restwelligkeit der Versorgungsspannung die maximale Eingangsspannung des Treibers nicht überschreitet, da dieser sonst beschädigt werden kann.

B. Bestimmung des Stroms

Der Netzteilstrom wird im Allgemeinen anhand des Ausgangsphasenstroms I des Treibers bestimmt. Bei Verwendung eines linearen Netzteils kann der Netzteilstrom das 1,1- bis 1,3-Fache von I betragen. Bei Verwendung eines Schaltnetzteils kann der Netzteilstrom das 1,5- bis 2,0-Fache von I betragen.

 

13. Unter welchen Umständen ist das Offline-Signal des üblicherweise verwendeten Hybrid-Schrittmotortreibers frei?

Wenn das Offline-Signal FREE auf LOW steht, wird der Stromausgang des Treibers zum Motor unterbrochen und der Motorrotor befindet sich im Leerlauf (Offline-Zustand). In manchen Automatisierungsanlagen kann das FREE-Signal auf LOW gesetzt werden, um den Motor manuell zu drehen, wenn der Antrieb nicht mit Strom versorgt wird. Dadurch wird der Motor offline geschaltet und eine manuelle Bedienung oder Justierung durchgeführt. Nach Abschluss der manuellen Bedienung wird das FREE-Signal wieder auf HIGH gesetzt, um die automatische Steuerung fortzusetzen.

 

14. Wie lässt sich die Drehrichtung eines Zweiphasen-Schrittmotors im eingeschalteten Zustand auf einfache Weise einstellen?

Richten Sie einfach A+ und A- (oder B+ und B-) der Motor- und Treiberverdrahtung aus.

 

15. Worin besteht der Unterschied zwischen zweiphasigen und fünfphasigen Hybrid-Schrittmotoren für verschiedene Anwendungen?

Frage Antwort:

Im Allgemeinen weisen Zweiphasenmotoren mit großen Schrittwinkeln gute Hochgeschwindigkeitseigenschaften auf, neigen jedoch im niedrigen Drehzahlbereich zu Vibrationen. Fünfphasenmotoren hingegen haben einen kleinen Schrittwinkel und laufen bei niedrigen Drehzahlen ruhig. Daher sollten Fünfphasenmotoren vor allem bei hohen Anforderungen an die Laufgenauigkeit und insbesondere im niedrigen Drehzahlbereich (üblicherweise unter 600 U/min) eingesetzt werden. Umgekehrt sind Zweiphasenmotoren die kostengünstigere Wahl, wenn hohe Drehzahlleistung im Vordergrund steht und weniger hohe Anforderungen an Genauigkeit und Laufruhe gestellt werden. Darüber hinaus liegt das Drehmoment von Fünfphasenmotoren üblicherweise über 2 Nm. Für Anwendungen mit geringem Drehmoment werden in der Regel Zweiphasenmotoren verwendet, wobei das Problem der Laufruhe bei niedrigen Drehzahlen durch den Einsatz eines Unterantriebs behoben werden kann.